Фамилия Вилюмовская — редкая и географически привязанная к восточнославянскому ареалу. Её основа, скорее всего, связана с топонимом: село или деревня с названием Вилюмово, Вилюмовка или Вилюмы. Такие названия могли возникнуть от прозвища или имени первого поселенца, но точный корень здесь неочевиден.

Словообразовательная модель указывает на суффикс -ск-, характерный для польских, украинских и белорусских фамилий, а также для русских дворянских или духовных фамилий, образованных от названий имений. Окончание -ая — типично для женской формы в русском языке (как «Вилюмовская»), но мужской вариант будет Вилюмовский. Это говорит о том, что фамилия могла принадлежать женщине или быть зафиксирована в документах в женском роде.

Самая правдоподобная версия: фамилия происходит от названия населённого пункта Вилюмово (например, в бывшей Виленской или Минской губернии). Корень «вилюм» не имеет прямого значения в русском языке, но может быть заимствован из балтийских языков (лит. viliumas — «обман», «хитрость») или представлять собой искажённое немецкое Willum (от Wilhelm). В таком случае предок мог быть выходцем из поселения, названного по имени немецкого колониста или по местной речушке.

Менее вероятно, что основа — личное имя Вилюм (калька с немецкого Вильгельм), которое в белорусских говорах могло звучать как «Вілюм». Тогда фамилия образована по патронимической модели, но с суффиксом -ск-, что редко для прямого отчества. Скорее всего, предки не носили фамилию изначально, а получили её по месту жительства или службы — например, как шляхта или священники, чьи фамилии часто образовывали от названий усадеб.

Встречаемость фамилии крайне низкая. По открытым данным, носители Вилюмовских рассеяны по России и Беларуси, без явной концентрации в одном регионе. Это подтверждает версию о происхождении из небольшого хутора или деревни, которые могли исчезнуть или сменить название.